“做一把仿生燒瓶刷”項(xiàng)目學(xué)習(xí)實(shí)踐

科學(xué)觀念、科學(xué)思維、探究實(shí)踐、態(tài)度責(zé)任是科學(xué)課程的核心素養(yǎng)內(nèi)涵，探究實(shí)踐是主渠道，科學(xué)思維是核心。項(xiàng)目學(xué)習(xí)能滿足思維型探究的需求，引領(lǐng)學(xué)生在真實(shí)情境下融合多個學(xué)科知識，圍繞項(xiàng)目主題經(jīng)歷設(shè)計(jì)、修改、再設(shè)計(jì)、建模來完成項(xiàng)目，解決實(shí)際問題。

在“做一把仿生燒瓶刷”項(xiàng)目學(xué)習(xí)中，教師創(chuàng)設(shè)項(xiàng)目情境，提出問題，引導(dǎo)學(xué)生形成探究需求，根據(jù)項(xiàng)目要求初步設(shè)計(jì)、建模，對初次建構(gòu)的模型進(jìn)行比較分類，在批判解釋的過程中引發(fā)求異思維，促進(jìn)對項(xiàng)目方案的再設(shè)計(jì)，進(jìn)而在教師提供學(xué)習(xí)支架的基礎(chǔ)上進(jìn)行迭代設(shè)計(jì)，凝聚思維，對模型進(jìn)行重組和創(chuàng)造，建構(gòu)生活模型解決問題。

一、提出問題，明晰項(xiàng)目任務(wù)

前期研究是項(xiàng)目實(shí)施的重要環(huán)節(jié)，能夠激發(fā)學(xué)生開啟思維之門。圍繞做仿生燒瓶刷這個項(xiàng)目，學(xué)生要先思考做這把刷子所需的材料、大致結(jié)構(gòu)和功能等信息，然后利用文獻(xiàn)檢索、探究實(shí)驗(yàn)等方法獲取所需要的知識、信息和經(jīng)驗(yàn)，對所收集的材料進(jìn)行判斷和分析，為以后的項(xiàng)目實(shí)施奠定基礎(chǔ)。

1.創(chuàng)設(shè)情境，提出問題

在實(shí)驗(yàn)室清洗燒瓶時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)燒瓶的瓶頸細(xì)長、瓶肚較大，這樣瓶肚里的臟東西用水沖不掉，用抹布又塞不進(jìn)，這可怎么辦？幾個學(xué)生清洗許久，依舊不能清洗干凈，因此主動提出：“需要一個適合清洗燒瓶的工具。”結(jié)合五年級“仿生”單元，學(xué)生已經(jīng)學(xué)習(xí)了《生物的啟示》《蛋殼與薄殼結(jié)構(gòu)》《海豚與聲吶》三課，初步認(rèn)識到工程師利用生物的啟示，發(fā)明了許多有利于生活生產(chǎn)的產(chǎn)品來解決生活中的問題。在此基礎(chǔ)上，教師引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合自然界事物的結(jié)構(gòu)、功能及相互關(guān)系，設(shè)計(jì)制作一把可以刷燒瓶的仿生刷子。這樣融入生活情境，引發(fā)思維，聯(lián)結(jié)已有經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)生解決問題的需求，自然生發(fā)項(xiàng)目。

課堂上，教師出示5種生活中常見的刷子，讓學(xué)生從中選擇合適的刷子。大多數(shù)學(xué)生選擇了奶瓶刷和試管刷，給出的理由是：奶瓶刷和試管刷的長度與寬度比較適宜，而且奶瓶刷的海綿和試管刷的刷毛具有一定的彈性，能夠在一定空間里壓縮，既可以伸進(jìn)瓶內(nèi)，又可以起到清潔作用。從學(xué)生的回答中，原型的刺激使他們更進(jìn)一步關(guān)注到了刷子的尺寸與材料性能的關(guān)系。

2.拆解問題，形成進(jìn)階式任務(wù)

當(dāng)用奶瓶刷和試管刷嘗試刷圓底燒瓶時(shí)，學(xué)生發(fā)現(xiàn)還是刷不到位，因?yàn)闊康钠慷潜容^大，刷子不能彎曲，刷不到瓶肚的每個地方。這時(shí)，教師引導(dǎo)學(xué)生系統(tǒng)考慮“做一把仿生燒瓶刷”的項(xiàng)目要素，把項(xiàng)目進(jìn)行拆解，并尋找相關(guān)的學(xué)科知識與技能的支撐，使學(xué)生思維逐步由抽象走向具象，形成環(huán)環(huán)相扣的進(jìn)階式任務(wù)（如圖1）。

圖1就是對本項(xiàng)目進(jìn)行問題拆解，引導(dǎo)學(xué)生思考這把刷子的功能、材料、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，從而形成了進(jìn)階式任務(wù)：調(diào)查需求、分析材料、結(jié)構(gòu)分析、技術(shù)支撐。學(xué)生逐步明確項(xiàng)目中需要用到哪些學(xué)科知識與能力，在感知與探究主題有關(guān)的總體信息中明確一個或多個要素信息，并有效分析信息來源與類型，從而持續(xù)有效地解決問題。

二、模型分析，形成評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

模型分析能夠促使學(xué)生進(jìn)一步理解模型的要素與結(jié)構(gòu)，是對事物本質(zhì)屬性的一種系統(tǒng)思考。學(xué)生通過對以上問題的分析與討論，想到可以用木棍、鐵絲等作為刷子把手，用海綿、魔術(shù)貼等作為刷毛，同時(shí)借助橡皮筋、雙面膠、扭扭棒等作為連接工具，對腦海中的燒瓶刷進(jìn)行第一次制作，并進(jìn)行清洗測試。待所有小組完成1.0版的刷子制作后，教師將學(xué)生遇到的問題寫在便利貼上，并貼在問題展板上，進(jìn)行分類匯總，引導(dǎo)他們討論解決問題的方法（見表1）。

表1中的問題充分暴露了學(xué)生對原有設(shè)想產(chǎn)生的思維碰撞，教師引導(dǎo)他們對這些問題進(jìn)行分類整理，明確解決問題的方法。學(xué)生明確地感受到，在制作這把仿生燒瓶刷前需要制訂一套評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，因此在師生合作的基礎(chǔ)上學(xué)生制訂了產(chǎn)品評價(jià)水平等級（如圖2）。

從圖2可以看出，學(xué)生以1.0版的刷子制作時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題為目標(biāo)，在思考交流中形成相對應(yīng)的四個評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對模型進(jìn)行螺旋式設(shè)計(jì)和修改，直至達(dá)到理想水平。其中水平1表現(xiàn)為優(yōu)秀等級，四項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)均能達(dá)成，刷子刷燒瓶效果好；水平2表現(xiàn)為良好等級，基本能達(dá)成，產(chǎn)品有一些缺陷；水平3和水平4分別是基本合格等級和不合格等級。這樣的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)是學(xué)生制訂，促使他們針對評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不斷修改自己的產(chǎn)品，體現(xiàn)教、學(xué)、評一體化。

三、豐富資源，促進(jìn)螺旋設(shè)計(jì)

通過1.0版的刷子模型制作，學(xué)生已經(jīng)意識到普通的刷子并不能起到很好地清洗燒瓶的作用，需要針對評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)一款新型的工具。教師組織學(xué)生進(jìn)行頭腦風(fēng)暴，鼓勵他們積極討論，尋找解決問題的辦法，并回憶學(xué)習(xí)過的“仿生”單元，看能否從中獲得啟示，尋找設(shè)計(jì)的突破口。同時(shí)，教師為學(xué)生提供“蝸牛腹足吸附玻璃表面、人體舌頭在口腔里旋轉(zhuǎn)、植物枝條分叉狀、河豚遇敵鼓氣”四種生物特點(diǎn)，引導(dǎo)學(xué)生從外形、結(jié)構(gòu)、功能、行為方式等方面重新設(shè)計(jì)這把仿生燒瓶刷，促使學(xué)生思維螺旋發(fā)展。學(xué)生通過小組討論，在充分征集意見基礎(chǔ)上開展了再設(shè)計(jì)的項(xiàng)目過程，創(chuàng)新設(shè)計(jì)出4種2.0版本的刷子（如圖3）。

設(shè)計(jì)1

根據(jù)蝸牛能夠吸附在光滑的玻璃表面，聯(lián)想到磁鐵隔著物體也具有吸力的特點(diǎn)，在瓶內(nèi)放入一個裹著刷毛的小磁鐵，瓶外用一個磁力大點(diǎn)的磁鐵，移動瓶外大磁鐵，在就可以帶動瓶內(nèi)的小磁鐵移動，清洗瓶肚。

設(shè)計(jì)2

根據(jù)河豚遭遇攻擊時(shí)往往會使身體充氣變成球狀的特點(diǎn)，思考用氣球作為刷子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)之一，只要在氣球上粘一些刷毛，不充氣時(shí)放入瓶內(nèi)，充氣后，帶刷毛的氣球鼓起來，旋轉(zhuǎn)晃動就可以清洗瓶肚，如需從瓶內(nèi)取出，只要將氣球放氣即可。

設(shè)計(jì)3

根據(jù)樹杈既可以展開又可以在一定程度內(nèi)彎曲的特點(diǎn)，聯(lián)想到借助木棍來模擬樹杈，用橡皮筋捆綁兩根木棍來模擬樹杈，這樣的好處是進(jìn)入瓶口時(shí)兩根木棍并攏，進(jìn)入瓶子后，木棍交叉展開，可以清洗瓶肚。

設(shè)計(jì)4

根據(jù)人體舌頭以舌根為基點(diǎn)，在口腔里旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，想到把海綿的一端綁在木棍上模仿舌頭在口腔內(nèi)活動，轉(zhuǎn)動木棍，帶動海綿清洗瓶肚。

這些小組受到學(xué)習(xí)單的啟發(fā)，對刷子進(jìn)行再設(shè)計(jì)，不斷地主動獲取生物世界的信息，并將輸入的信息進(jìn)行加工提煉，通過設(shè)計(jì)再將內(nèi)化的信息進(jìn)行有效的輸出，建構(gòu)平面模型，讓學(xué)生不斷地對仿生學(xué)概念、原理、流程有了更清晰的認(rèn)識，促使他們不斷產(chǎn)生思維的火花。

四、檢驗(yàn)?zāi)Ｐ停醪礁倪M(jìn)產(chǎn)品

模型檢驗(yàn)是學(xué)生利用設(shè)計(jì)、制作的思維模型解釋真實(shí)事物（原型）的關(guān)系或結(jié)構(gòu)，對學(xué)生的思維起到監(jiān)控和調(diào)節(jié)作用。本項(xiàng)目從平面圖紙到立體模型，考查學(xué)生的空間轉(zhuǎn)化能力和動手實(shí)踐能力。學(xué)生以“產(chǎn)品評價(jià)水平等級”為指引，在不斷調(diào)試檢驗(yàn)和修正的過程中發(fā)現(xiàn)問題，并進(jìn)行迭代改進(jìn)。

設(shè)計(jì)1的改進(jìn)

學(xué)生發(fā)現(xiàn)放入瓶肚的磁鐵要盡可能小一些，否則包裹海綿后就無法放進(jìn)瓶肚，而瓶外的磁鐵要盡可能大一些，否則抓握時(shí)很費(fèi)力。又有學(xué)生考慮到“價(jià)格”這一指標(biāo)，想把內(nèi)部的磁鐵換成價(jià)格更加便宜的鋼珠，測試后發(fā)現(xiàn)，隔著玻璃相吸時(shí)，包裹了海綿的鋼珠容易掉落，最后在權(quán)衡之下還是選擇了較貴的磁性巴克球。這樣調(diào)整后，就可以利用瓶外的磁鐵吸引瓶內(nèi)包裹海綿的磁性巴克球進(jìn)行滾動，從而清洗瓶肚（如圖4）。

設(shè)計(jì)2的改進(jìn)

學(xué)生發(fā)現(xiàn)利用河豚鼓氣原理制作的刷子，氣球外部海綿不能太厚，否則就受到瓶口直徑的限制。因此，學(xué)生在氣球的頂部和氣球柄處粘貼適量海綿，根據(jù)瓶口的直徑多次實(shí)驗(yàn)，確保沒充氣的氣球能裹著海綿進(jìn)入瓶肚。他們想到用長尾夾作為氣球充氣和放氣的閥門，這樣氣球充氣時(shí)就能帶動海綿清洗瓶肚（如圖5）。

設(shè)計(jì)3的改進(jìn)

學(xué)生受樹杈結(jié)構(gòu)的啟示，用橡皮筋捆綁兩根木棍，將木棍伸進(jìn)瓶內(nèi)后進(jìn)行交叉從而清洗瓶肚，但通過測試發(fā)現(xiàn)，木棍交叉的角度受瓶頸粗細(xì)的限制，并不能張開很大。如果這時(shí)只考慮是否可以進(jìn)入瓶肚，而卷上較薄的海綿，是無法刷到瓶肚的，而增大包扎的海綿，又塞不進(jìn)去。幾次測試后，學(xué)生想到用皮筋捆綁的木棍，高度是可以調(diào)節(jié)的，將兩根木棍處于不齊平的狀態(tài)，先后進(jìn)入瓶肚，再將兩根木棍拉至齊平，然后張開，便可以刷到瓶肚了（如圖6）。

設(shè)計(jì)4的改進(jìn)

學(xué)生通過測試發(fā)現(xiàn)海綿太軟了，雖然能夠觸碰瓶肚但是清洗效果并不好。學(xué)生想到需要增加刷子的硬度，又必須具有一定的彈性，能夠比較自由地在瓶肚內(nèi)彎曲。后來經(jīng)過改進(jìn)，在海綿舌頭中間加了一根細(xì)鐵絲，這樣海綿不至于太軟使不上勁，又可以輕松地彎曲，進(jìn)而清洗瓶肚（如圖7）。

以上四種燒瓶刷就是學(xué)生在實(shí)際測試檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)問題，并且利用這種思維改進(jìn)形成的最終模型，解決清洗瓶肚這一項(xiàng)目任務(wù)，凝聚了小組成員的智慧，將思維引向深處。

五、展示交流，優(yōu)化升級產(chǎn)品

本項(xiàng)目采用“漫步畫廊”的展示交流方式，即每組留1人介紹，其余3人參觀其他組的產(chǎn)品。學(xué)生在寬松、和諧的環(huán)境中展示自己的產(chǎn)品，介紹設(shè)計(jì)理念與測試后的功能分析，同時(shí)也能聽到其他同學(xué)的評價(jià)和建議，這樣做有利于后續(xù)的產(chǎn)品升級。

一是對刷子材料選擇的再優(yōu)化。例如，學(xué)生測試鼓氣式燒瓶刷時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)氣球被吹大時(shí)，有些地方刷毛覆蓋不了，而且氣球皮較軟，在瓶內(nèi)旋轉(zhuǎn)力度不夠，并不能像設(shè)想時(shí)那樣順利地清洗瓶肚。有學(xué)生建議用硬度較大的硅膠氣球代替普通氣球，將模擬刷毛的魔術(shù)貼裁剪得更小，用點(diǎn)點(diǎn)膠粘牢。

二是對刷子結(jié)構(gòu)的再改進(jìn)。例如，樹杈式燒瓶刷一開始得票率也很高，學(xué)生都覺得此款刷子操作簡單、使用方便。但是展示時(shí)，他們發(fā)現(xiàn)，由于燒瓶的瓶頸很細(xì)，兩個刷柄受到限制，展開的角度很小，并未達(dá)到預(yù)期效果。在后期改進(jìn)中，海綿的用量還得反復(fù)調(diào)試，既要防止海綿過厚塞不進(jìn)去，又要保證海綿用量足夠，使得樹杈式刷子在適當(dāng)張開的情況下依舊可以清洗瓶肚，同時(shí)兩根木棍連接處（即交叉點(diǎn)）也需要在測試中反復(fù)調(diào)整至合適位置。

三是對刷子功能的再提升。例如，舌體式燒瓶刷雖然測試效果良好，但有一些小問題，舌體式燒瓶刷內(nèi)部插有鐵絲，鐵絲可以在受力的情況下隨意彎折，其結(jié)構(gòu)較軟，導(dǎo)致清洗力度不夠。每一次問題的暴露又給了學(xué)生新的挑戰(zhàn)，大家集思廣益，提出了組合型刷子的設(shè)想，如在舌體式燒瓶刷前端加上磁鐵小球，將舌體式燒瓶刷和吸附式燒瓶刷進(jìn)行組合使用，進(jìn)一步提升刷子的清潔功能。這樣“漫步畫廊”式的展示交流，既是針對探究標(biāo)準(zhǔn)的學(xué)習(xí)效果展示，又是思維的高強(qiáng)度碰撞，每次交流都暗含著思維的發(fā)展和遞進(jìn)，最終促進(jìn)資源共享。

小結(jié)

一次制作仿生燒瓶刷的實(shí)踐，學(xué)生經(jīng)歷了情境關(guān)聯(lián)遞推，活動螺旋進(jìn)階、思維深度發(fā)展的學(xué)習(xí)歷程。學(xué)生對產(chǎn)品的思考與評價(jià)，一次次推動他們向深度學(xué)習(xí)邁進(jìn)，真正實(shí)現(xiàn)科學(xué)素養(yǎng)的提升。

[課題：江蘇省中小學(xué)教學(xué)研究第十四期立項(xiàng)課題“螺旋設(shè)計(jì)：小學(xué)生科學(xué)探究活動的實(shí)踐研究”，編號：？2021JY14-L190]

（作者單位：江蘇省溧陽市教師發(fā)展中心）

參考文獻(xiàn)

[1]胡衛(wèi)平，劉守印.義務(wù)教育科學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）解讀[M].北京：高等教育出版社，2022.